基于PCF8591数字电压表设计.docx

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基于PCF8591数字电压表设计

课程设计报告

题目：

学生姓名：

学生学号：

系别：

专业：

指导教师：

电气信息工程学院制

2013年6月

第1章课程设计的总体方案

1.1课程设计的目的

1.了解A/D芯片PCF8591转换性能及其编程方法。

2.掌握A/D转换器与单片机的接口方法

3.学会使用A/D转换器进行电压信号采集

1.2课程设计的要求

1.利用A/D芯片PCF8591及1602液晶显示屏组成。

2．采用4路模拟量输入。

3.尽量使用较少的元器件。

1.3课程设计的思路

1.根据设计要求，选择AT89C51单片机为核心控制器件。

2.A/D转换采用PCF8591实现，利用PCF8591将模拟电压转换为数字量。

3.经单片机将数字量转换成对应电压值，电压显示采用4位一体的LED数码管。

1.4课程设计的方案

硬件电路设计由6个部分组成;A/D转换电路，AT89C51单片机系统，LCD显示系统、时钟电路、复位电路以及测量电压输入电路。

硬件电路设计框图如图1所示。

图1数字电压表系统硬件设计框图

第2章系统方案硬件设计

2.1系统方案的提出

根据4路模拟量输入设计的需要，为单片机和A/D转换器提供以下设计方案。

2.1.1单片机方案

AT89C51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4k字节Flash可擦写存储器（PEROM）。

AT89C51器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，AT89C51的片内Flash允许程序存储器通过传统编程器反复编程。

由于芯片内集成了通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的微处理器ATMELAT89C51可为许多嵌入式控制应用系统提供高度灵活、高性价比的解决方案。

　AT89C51具有如下特点：

4kBytesFlash存储器、128bytes的RAM以及32个I/O口、2个16位定时/计数器,5个中断优先级2层中断嵌套中断、1个全双工串行通信口、片内时钟振荡器。

AT89C51芯片，如图所示，各引脚功能如下：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

P1口：

是个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

图3-1AT89C51设计

P2口：

为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高。

　P3口：

管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如所示：

P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）

　P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）

　P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（记时器1外部输入）

　P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

　　/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

2.1.2A/D转换器方案

PCF8591的功能包括多路模拟输入、内置跟踪保持、8-bit模数转换和8-bit数模转换。

PCF8591的最大转化速率由I²C总线的最大速率决定。

1、主要技术指标和特性

单独供电;PCF8591的操作电压范围2.5V-6V;低待机电流

通过I2C总线串行输入/输出;PCF8591通过3个硬件地址引脚寻址

PCF8591的采样率由I2C总线速率决定;

4个模拟输入可编程为单端型或差分输入频道选择自动增量;

PCF8591的模拟电压范围从Vss到VDD;

PCF8591内置跟踪保持电路;8-bit逐次逼近A/D转换器；

通过1路模拟输出实现DAC增益PCF8591引脚图

2.1.3时钟电路

AT89S51的时钟电路如图所示，在单片机的XTAL1和XTAL2两个管脚接一个晶振及两个电容构成了时钟电路电路中电容C1和C2对振荡频率有微调作用，在设计时取30uF。

晶振为11.0592MHz，故选择12MHz即可。

图2-2时钟电路图2-3复位电路

2.1.4复位电路

AT89S51的复位电路如图所示。

当单片机一上电，立即复位；另外，如果在运行中，外界干扰等因素使单片机的程序陷入死循环状态，就可以通过按键手动使其复位。

复位也是使单片机退出低功耗工作方式而进入正常状态的一种操作。

电容C3和电阻R10实现上电自动复位。

增加按键开关S1和电阻R9又可实现按键手动复位功能。

R9的作用是在S1按下的时候，防止电容C3放电电流过大烧坏开关S1的触点。

2.1.5显示电路LED硬件设计

LED数码管由8个发光二极管组成，其中7个按“8”型排列，另一个发光二极管为圆点形状，位于右下角，常用于显示小数点。

共阳极LED电路连接如图2-4所示,8支发光二极管的阳极共同接到电源上，所以叫共阳极LED，在每个发光二极管的阳极接的电阻将起到保护作用。

在输入管脚接低电平时，对应的发光二极管将会发光。

和共阴极LED一样，适当编码后，8支发光二极管组合起来就可以显示数据了。

2-4共阳极接法原理图

动态显示来完成该显示电路的硬件设计。

图2-5显示电路设计

2.1.6总体设计电路图：

见Protel图

第3章系统软件设计

3.1.1程序设计总方案

根据模块的划分原则，将该程序划分初始化模块，A/D转换子程序和显示子程序，这三个程序模块构成了整个系统软件的主程序，如图12所示。

图3-1数字式直流电压表主程序框图

3.1.2系统子程序设计

初始化程序

所谓初始化，是对将要用到的MCS_51系列单片机内部部件或扩展芯片进行初始工作状态设定，初始化子程序的主要工作是设置定时器的工作模式，初值预置，开中断和打开定时器等

3.1.3A/D转换子程序

A/D转换子程序用来控制对输入的模块电压信号的采集测量，并将对应的数值存入相应的内存单元，其转换流程图如图3-2所示。

图3-2A/D转换流程图

3.1.4显示子程序

显示子程序采用动态扫描实现四位数码管的数值显示，在采用动态扫描显示方式时，要使得LED显示的比较均匀，又有足够的亮度，需要设置适当的扫描频率，当扫描频率在70HZ左右时，能够产生比较好的显示效果，一般可以采用间隔10ms对LED进行动态扫描一次，每一位LED的显示时间为1ms[10]。

在本设计中，为了简化硬件设计，主要采用软件定时的方式，即用定时器0溢出中断功能实现11μs定时，通过软件延时程序来实现5ms的延时。

第四章电路原理图和PCB板的设计

第5章实习总结

经过两周的单片机课程设计，我有了很多的体会和感想。

通过本次对简易电压表的设计，我们对单片机这门课程有了更进一步的了解。

无论是在其硬件连接方面还是在软件编程方面，都取得了新的收获。

本次课程设计采用了AT89C51单片机芯片，与以往我们我们所熟悉的C51芯片有许多不同之处，通过本次实验及查阅相关资料，我们对其之间的区别有了一定的认识，在本课题设计报告的硬件介绍部分也对其作了详细的论述。

S51在C51的基础上增加了许多新的功能，使其功能更为完善，应用领域也更为广泛。

另外，在对单片机编程方面，我们又掌握了一些新的编程思想，使得程序更为简练、易懂，而且更为严谨，程序执行的稳定性得到了提高。

设计中我们还用到了模/数转换芯片PCF8591，以前在学单片机这门课程时只是对其理论知识有了初步的了解。

通过本次实验，我们对它的工作原理彻底理解了，对其启动设置、转换结束判断以及输出控制等都基本掌握。

电路连接方面，我们对其与单片机的连接也有了更为直观的认识，通过实验的摸索以及必要的理论知识，我们准确的实现了它于单片机的互连。

设计过程中，我遇到过许多次失败的考验，比如，自己对单片机编程时遇到了很多阻碍，想要放弃，然而，就在要放弃的那一刻，我明白了，原来结果并不那么重要，我们更应该注重的是这一整个过程。

于是，我坚持了下来。

我非常感激实习老师对我的的指导和帮助，没有老师的指导，我只能晕头转向的瞎忙。

通过这次设计，这也对我们今后的工作敲响了警钟：

要认真的看待每个需要处理的问题，不要认为事情过于简单，不能急于求成，但不要放弃。

要保持头脑清醒。

单片机是很重要的一门课程，老师和一些工作的朋友都曾说过，如果学好一门单片机，就凭这个技术这门手艺找一个好工作也不成问题。

尽管我们在课堂学到的内容很有限，但在以后的学习中单片机还需要好好的深入研究和学习。

最后感谢老师对我的精心指导和帮助，感谢同学们对我的帮助。

参考文献

1.魏立峰王宝兴.单片机原理及应用技术.北京：

北京大学出版社，2006.

2.张毅刚.MCS-51单片机应用与设计.哈尔滨：

哈尔滨工业大学出版社，2003.

3.马忠梅单片机的C语言应用程序设计.北京：

北京航空航天大学出版社2003

4.PCF8591使用说明书

程序:

ORG0000H

LJMPSTART

ORG0003H

RETI

ORG000BH

RETI

ORG0013H

RETI

ORG001BH

RETI

ORG0023H

RETI

ORG002BH

RETI

*初始化程序中的各变量*

CLEARMEMIO:

CLRA

MOVP2,A

MOVR0,#70H

MOVR2,#0DH

LOOPMEM:

MOV@R0,A

INCR0

DJNZR2,LOOPMEM

MOV20H,#00H

MOVA,#0FFH

MOVP0,A

MOVP1,A

MOVP3,A

RET

*主程序*

START:

LCALLCLEARMEMIO;初始化

MAIN:

LCALLTEST;测量一次

LCALLDISPLAY;显示数据一次

AJMPMAIN

NOP;PC值出错处理

NOP

NOP

LJMPSTART

*显示控制程序*

DISPLAY:

JB00H,DISP11;

MOVR3,#08H;8路信号循环显示控制

MOVR0,#70H;显示数据初址70H~77H

MOV7BH,#00H;显示通道路数初值

DISLOOP1:

LCALLTUNBCD;显示数据转为三位BCD码存入7AH、79H、78H

MOVR2,#0FFH;每路显示时间控制4MS*255

DISLOOP2:

LCALLDISP;调四位显示程序

LCALLKEYWORK1;

DJNZR2,DISLOOP2;

INCR0;显示